T2K () est une expérience de physique des particules située au Japon, dans laquelle collaborent de nombreux pays, avec une forte contribution de l'Europe (50 % des collaborateurs). Il s'agit d'une expérience d'oscillation de neutrinos mesurant un faisceau de neutrinos muoniques à courte () et à longue distances (). Elle prend la suite de l'expérience K2K. L'accélérateur J-PARC basé à Tokai produit le faisceau, qui pointe vers le détecteur lointain Super-Kamiokande. Le faisceau est hors axe de 2,5°, permettant d'avoir un spectre plus piqué et à une énergie plus appropriée aux oscillations, et également de réduire le bruit de fond. Le but principal de T2K est de mesurer l'oscillation des neutrinos muoniques en neutrinos électroniques afin de mesurer θ, le dernier paramètre de la Matrice PMNS non mesuré.
Objectifs physiques Le but de l'expérience T2K est d'avoir une compréhension plus complète des paramètres d'oscillation. Les expériences précédentes ont observé la disparition des neutrinos muoniques, expliquée par leur oscillation en neutrinos tau. Mais, l'oscillation vers les neutrinos électroniques n'a jamais été observée, l'angle de mélange θ dont dépend sa probabilité étant trop petit, voire nul. Or, la nullité de cet angle aurait de grandes conséquences en physique, que ce soit théorique pour l'expliquer ou cosmologique, le neutrino ayant un rôle déterminant dans l'histoire de l'Univers. T2K espère donc être la première expérience à le mesurer.
Si ce dernier était trouvé à une valeur suffisamment élevé, l'expérience entrerait dans une deuxième phase, avec un faisceau plus intense, afin de chercher si la symétrie CP est conservée dans le secteur leptonique. Elle comparerait pour ce faire les oscillations de neutrinos et d'anti-neutrinos.
Les mesures très précises des paramètres de mélange Δm et θ constituent des objectifs secondaires de T2K.
Production des Neutrinos
J-PARC J-PARC est un nouvel accélérateur de particules plus puissant que KEK utilisé dans l'expérience K2K. Le synchrotron est finalement capable d'accélérer des protons de /C ( /C prévu initialement). Les protons en collision sur une cible de carbone produiront des pions qui se désintègrent en muons et en neutrinos muoniques. La puissance du faisceau devrait être de et fournir plus d'événements de neutrinos que K2K. Le tube de désintégration de pions doit être suffisamment long pour que le maximum de pions se désintègrent en muons et neutrinos muoniques et suffisamment court pour que ces muons ne se désintègrent pas à leur tour en électrons, neutrinos électroniques et antineutrinos muoniques, ce qui apporterait d'une part une pollution de neutrino électronique au faisceau de neutrinos muoniques et d'autre part une pollution d'antineutrinos muoniques et réciproquement selon la polarisation du champ magnétique de la corne magnétique.
Hors axe Le faisceau de neutrinos à J-PARC est conçu de sorte qu'il forme un angle de 2.5° par rapport au détecteur lointain Super Kamiokande. Cela réduit le flux de neutrinos qui atteignent le détecteur, mais offre un spectre d'énergie plus approprié aux oscillations de neutrino. Hors axe, l'énergie de pointe est faible, les énergies plus élevées étant supprimées. À la distance entre Tokai et Kamioka, l'oscillation maximale des neutrinos devrait se produire à des énergies inférieures à .
Détecteur proche Le détecteur proche (ND280) est un détecteur segmenté composé de plusieurs sous-détecteurs. Il comprend un trajectomètre, un calorimètre et un détecteur de pions entourés par l'aimant de l'expérience UA1 et d'un détecteur de muons afin de contrôler le faisceau. ND280 sera en mesure de mesurer le spectre d'énergie de faisceau de neutrinos, son flux, le contenu en saveur, et les sections efficaces d'interaction avant l'oscillation des neutrinos.
Trajectomètre Il est composé de et de entrelacés.
La chambre à projection temporelle ( ou TPC) sera capable de mesurer le moment (moment d'une force (mécanique) des particules produites dans le détecteur. Les détecteurs à grains fins ( ou FGD) constitueront la cible des interactions des neutrinos et pourront mesurer la courte trace du proton de recul. Le second FGD est partiellement composé d'eau afin de pouvoir comparer les sections efficaces du détecteur proche et du détecteur lointain (Super-Kamiokande, composé exclusivement d'eau) sur des noyaux équivalents.
Ce trajectomètre détectera les courants quasi-élastiques afin de mesurer le flux et le spectre des neutrinos muoniques avant oscillation, des autres courants chargés afin d'évaluer les erreurs de reconstruction de l'énergie dans Super-Kamiokande, des courants neutres et de la contamination du faisceau en neutrinos électroniques qui constituent les bruits de fond principaux de l'expérience.
Pi Zero Le détecteur Pi Zero est composé de couches de scintillateurs et de plomb utilisé pour mesurer les pions neutres produits dans les interactions de courant neutre.
Super Kamiokande
Le détecteur Super-Kamiokande se situe à sous terre dans la mine Mozumi, sous le mont Ikeno, proche du quartier de Kamioka de la ville d’Hida. C’est un réservoir cylindrique en acier inoxydable d’environ de hauteur et de diamètre, rempli avec d’eau et instrumenté au moyen d’approximativement tubes photomultiplicateurs (PMT). Son principe de détection est basé sur l’effet Cherenkov; lorsque des particules chargées se déplacent dans l’eau à une vitesse supérieure à celle de la lumière dans ce milieu, elles émettent un cône de lumière dite "Cherenkov" et celui-ci peut être identifié par le détecteur. Son but est de mesurer les muons et les électrons produits dans les interactions quasiélastiques à courant chargé (CCQE) des neutrinos muoniques et des neutrinos électroniques, respectivement. En raison de leur masse relativement élevée, les muons conservent généralement leur direction sans être déviés et, ainsi, produisent un cône de lumière Cherenkov bien défini, observé par les PMTs comme un cercle net et précis. À l’opposé, les électrons, à cause de leur petite masse, sont plus susceptibles d’être diffusés et ils produisent, presque toujours, des cascades électromagnétiques, observées par les PMTs comme un cercle dont le bord est flou et mal délimité. L’énergie du neutrino est calculée à partir de la direction et l’énergie du lepton chargé produit dans l’interaction CCQE. C’est de cette façon que les spectres d’énergie des neutrinos muoniques et neutrinos électroniques sont déterminés, permettant ainsi la mesure des paramètres d’oscillation pertinents pour la disparition des neutrinos muoniques et l’apparition des neutrinos électroniques.
Histoire T2K succède à l’expérience KEK to Kamioka (K2K), qui opéra de 1999 à 2004. Dans l’expérience K2K, un faisceau de neutrinos muoniques était produit par un accélérateur sur le site KEK à Tsukuba (Japon) et envoyé vers le détecteur Super-Kamiokande, situé à de là. Les résultats de l’expérience K2K confirmèrent la disparition des neutrinos muoniques à un niveau de confiance de 99.9985% (4.3 σ) et étaient consistants avec les précédentes mesures des paramètres d’oscillation réalisées par le détecteur Super-Kamiokande pour les neutrinos atmosphériques.
La construction de la ligne de faisceau de neutrinos a commencé en 2004 et a été mise en service avec succès en 2009. La construction de la totalité du détecteur INGRID et celle de la plus grande partie du détecteur ND280 (sans la composante baril du calorimètre électromagnétique, “barrel ECAL”) a été finalisée en 2009. La partie manquante du calorimètre a été installée en automne 2010. Le grand détecteur Super-Kamiokande, en service depuis 1996 afin d’étudier le temps de vie du proton et les oscillations de neutrinos atmosphériques, solaires et d’accélérateurs, fait office de détecteur lointain pour l’expérience T2K.
T2K a commencé à prendre des données de neutrinos pour une analyse de physique en , initialement avec un détecteur ND280 incomplet, puis, à partir de , dans sa configuration finale. La prise de données a été interrompue pendant un an en raison du Séisme de la côte Pacifique du Tohoku en . Depuis, la puissance du faisceau de proton, et par conséquent l’intensité du faisceau de neutrinos n’a cessé d’augmenter, atteignant en une puissance de et un total de 3.64×1021 protons accumulés sur la cible, avec 55% de données en mode neutrino et 45% en mode anti-neutrino.
En , la collaboration T2K a publié des résultats qui contraignent fortement la phase δCP. Les résultats rejettent avec un niveau de confiance de 95% l’hypothèse de non-violation CP (incluant la possibilité que δCP soit égal à π). Ces résultats rejettent également, à un niveau d’importance de 3σ (99.7%) presque la moitié des valeurs possibles de ce paramètre et fournissent une bonne indication que la violation CP pourrait être importante dans le secteur neutrino..
Projets futurs
Il est prévu que l’expérience T2K poursuive ses opérations en l’état actuel jusqu’à fin 2020. En 2021, une mise à niveau majeure de la ligne de faisceau des neutrinos et du détecteur proche ND280 sera effectuée. De 2022 à 2026, les données en neutrinos seront prises dans le cadre de la seconde phase de l’expérience T2K (T2K-II). En 2025, le successeur de l’expérience T2K sera mis en marche; il s’agit de l’expérience Hyper-Kamiokande (HK) qui fonctionnera avec le nouveau détecteur Cherenkov lointain, contenant 250’000 tonnes d’eau - le détecteur Hyper-Kamiokande. La construction d’un autre détecteur Cherenkov à eau, se trouvant à une distance intermédiaire d’environ est également considérée pour l’expérience HK.
T2K-II La phase II de l’expérience T2K devrait commencer en 2022 et durer jusqu’en 2025 ou 2026, suivie par la mise en service de l’expérience HK. Les objectifs physiques de T2K-II consistent en une mesure des paramètres d’oscillation θ23 et Δm avec une précision de 1.7° et 1% respectivement, ainsi qu’une confirmation au niveau de 3σ ou plus de l’asymétrie matière-antimatière dans le secteur neutrino pour un large panel de vraies valeurs possibles de δCP – le paramètres responsables de l’asymétrie CP (matière-antimatière). Afin d’atteindre ces objectifs, les erreurs statistiques et systématiques doivent être réduites, ce qui implique une mise à niveau conséquente de la ligne de faisceau et du détecteur ND280, ainsi que des améliorations du software et des méthodes d’analyse.
Mise à jour du faisceau
La stratégie de mise à jour du faisceau requiert l’arrêt de l’accélérateur circulaire principal de J-PARC durant une année en 2021, suivi par une augmentation graduelle constante de la puissance du faisceau de proton jusqu’à ce que l’expérience HK débute. La puissance du faisceau devrait atteindre en 2022, puis s’élever à d’ici à 2029.
En , la puissance du faisceau de protons a atteint avec 2.7x1014 protons par impulsion et 2.48 secondes entre chaque impulsion (cycle de répétition). Afin d’atteindre , le cycle de répétition sera réduit à 1.32 s avec 2.0x1014 protons par impulsion, tandis que pour une puissance de , le cycle de répétition sera réduit jusqu’à 1.16 s et le nombre de protons par impulsion augmenté à 3.2x1014. En plus d’augmenter la puissance du faisceau de protons primaire, le courant dans les cornes magnétiques qui focalisent les particules secondaires possédant une charge électrique choisie (les pions, les kaons, etc.), sera également augmenté de à . Cela aura pour effet d’augmenter le nombre de neutrinos du bon signe (neutrinos lorsque le faisceau est en mode neutrino et anti-neutrinos lorsqu’il est en mode anti-neutrino) de 10% et de réduire le nombre de neutrinos de mauvais signe (anti-neutrinos lorsque le faisceau est en mode neutrino et neutrinos lorsqu’il est en mode anti-neutrino) d’environ 5-10%.